Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук
(ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН)

Лаборатория экологической физиологии растений

О Лаборатории экологической физиологии растений

Слева направо: П.П. Вавилов, Е.С. Болотова, В.М. Швецова. 1961 год.Лаборатория физиологии растений организована в 1962 г. по инициативе П.П. Вавилова, впоследствии чл.-корреспондента АН СССР, академика ВАСХНИЛ. Под руководством П.П.Вавилова в 60-70 гг. прошлого столетия сотрудниками Лаборатории были проведены комплексные исследования продуктивности культурных растений, составляющих основу растениеводства в суровых северных условиях (Вавилов, 1964; Вавилов, Чебыкина, 1965; Особенности роста …, 1967; Физиология картофеля …, 1972; В первом ряду слева направо: С.С. Муравьева, З.С. Хлызова, А.Г. Корбут, Г.Н. Табаленкова, С.В. Куренкова, Р.А. Рощевская; во втором ряду: И.А. Вязова, Н.В. Чебыкина, З. Фрикель, В.М. Швецова, Л.К. Грунина, Е.С. Болотова, А.М. ШвецоваФизиолого-биохимические основы …, 1978; Физиолого-биохимические аспекты…, 1985). Сформировалась и приобрела научный авторитет группа физиологов в составе Е.С. Болотовой, Н.В.Чебыкиной, Р.А. Рощевской, к.б.н. Л.К. Груниной, к.б.н. В.М. Швецовой, к.б.н. А.М. Швецовой, С.В.Куренковой, А.Г. Корбут

Лаборатория физиологии растений была переименована в Лабораторию экологической физиологии растений в 1985 г. С более подробной информацией об истории развития и научной деятельности Лаборатории можно ознакомиться в Вестнике ИБ, № 7-8.

Лабораторию всегда связывали тесные отношения с сотрудниками Ботанического института им В.Л. Комарова РАН и Лабораторией экологии и физиологии фотосинтеза. Долгие годы в стенах этой лаборатории работала профессор, д.б.н. Ольга Александровна Семихатова, известный специалист в области дыхания растений. Она была научным консультантом профессора, д.б.н. Тамары Константиновны Головко и активно участвовала в научной жизни её учеников.

В 2015 г. О.А. Семихатова опубликовала мемуары «Как я стала ленинградкой. Воспоминания» о своей жизни в период военного и послевоенного времени. Книга написана ярко и живо, на основе подробных дневников, которые автор вела долгие годы. Книга интересна не только для биологов и историков, но и для широкого круга читателей, неравнодушных к истории нашей страны.

Заведующие Лабораторией

  • 1962 - 1979 гг. – к.б.н., ст.н.с. В.М. Швецова
  • 1980 - 1984 гг. – к.б.н. С.К. Назаров
  • 1985 - 2018 гг. – д.б.н., проф. Т.К. Головко
  • 2018 г. - по настоящее время – к.б.н., с.н.с. И.В. Далькэ, врио заведующего

Основные направления исследований Лаборатории

В экспедиции на Приполярном Урале в 2002 г. В первом ряду слева направо: Г.Н. Табаленкова, И.В. Далькэ; во втором ряду: Т.К. Головко, И.Г. Захожий, Е.В. Гармаш, С.П. Маслова.На современном этапе Лаборатория экологической физиологии растений развивает фундаментальные исследования регуляции основных процессов жизнедеятельности, наиболее полно отражающих  степень соответствия метаболизма растительного организма климатическим и эдафическим условиям Севера.

  • Эколого-физиологическое изучение фотосинтеза и дыхания как процессов, составляющих энерго-пластическую основу жизнедеятельности и устойчивости растений.
  • Изучение  механизмов защиты фотосинтетического аппарата растений в условиях холодного климата.
  • Выявление физиолого-биохимические основы адаптации различных видов и экологических групп растений к  воздействию природных и антропогенных факторов.

 

Сведения о сотрудниках и аспирантах

Тематика исследований (2001-2010 гг.)

Плановые бюджетные

  • Физиолого-биохимические основы адаптации и репродукции растений в холодном климате ( 2001-2004 гг.; №ГР 01. 2.00107254)
  • Физиолого-биохимические механизмы роста и адаптации растений в холодном климате: роль фотосинтеза и дыхания (2005-2007 гг., №ГР ГР№ 01120.0 500821
  • Экофизиология и стресс-физиология растений на Севере (2008-2010; № ГР 0120.0 801346)

Гранты РФФИ (инициативные)

  • Структурно-функциональная организация подземного побегового комплекса корневищных травянистых многолетних растений и их продуктивный потенциал (2001-2003 гг.; РФФИ-Коми №01-04-96434)
  • Специализированные органы вегетативного размножения травянистых многолетних растений: структура, функции, экология, продуктивность (2004-2006 гг.; РФФИ-Урал №04-04-96013)
  • Пигменты и их роль в устойчивости фотосинтетического аппарата растений к различным стрессам в условиях холодного климата (2004-2006 гг.; РФФИ №04-04-48255)
  • Механизмы адаптации фотосинтетического аппарата на разных уровнях его организации у растений холодного климата (2007-2009 гг.; РФФИ №07-04-00436)

Программы Президиума РАН, ОБН РАН, интеграционные УрО РАН

  • Механизмы адаптации фотосинтетического аппарата растений на разных уровнях его организации (фундаментальные и прикладные аспекты (2004-2005; Грант Целевой программы поддержки междисциплинарных проектов, выполняемых в содружестве учеными УрО, СО и ДВО РАН)
  • Оценка устойчивости фотосинтезирующего звена искусственной экосистемы при включении в массообмен растительных отходов и экзометаболитов человека (2007-2008 гг.; Грант Целевой программы поддержки междисциплинарных проектов, выполняемых в содружестве учеными УрО, СО и ДВО РАН)
  • Интеграция биологического и физико-химического методов для повышения эффективности работы фототрофного звена биорегенеративной СЖО, включающей человека (2009-2011; Грант Целевой программы поддержки междисциплинарных проектов, выполняемых в содружестве учеными УрО, СО и ДВО РАН)
  • Состояние ресурсов полезных растений европейского Северо-востока России, мониторинг и разработка биотехнологических подходов по рациональному использованию и воспроизводству. Раздел: Экофизиология полезных растений (2009-2011 гг.; по программе Отделения биологических наук РАН «Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга »)
  • Биологическое разнообразие наземных и водных экосистем Приполярного Урала: механизмы формирования, современное состояние, прогноз естественной и антропогенной динамики. Раздел: Экофизиология сосудистых растений Приполярного Урала (2009-2011 гг.; по программе Президиума РАН «Биологическое разнообразие»)

Другие гранты и проекты

  • Адаптация и репродукция растений природной флоры средней тайги европейского Северо-Востока России (2001-2003 гг.; Грант молодых ученых РАН по фундаментальным и прикладным исследованиям №283)
  • Физиолого-биохимические аспекты продуктивности разных видов и сортов растений в условиях холодного климата (1999-2002гг.; Грант Министерства промышленности, науки и технологий РФ, №1553 по межрегиональной НТП)
  • Физиолого-биохимическая оценка продукционного процесса, отбор сортов и культур, перспективных для возделывания в условиях холодного климата (2000-2002 гг.; Республиканский грант по проекту «Концепция адаптивного растениеводства как ключевого звена сельскохозяйственного производства в условиях холодного климата).
  • Биологические ресурсы и устойчивое развитие европейского Северо-Востока России (2002-2004 гг.; Грант Б0084/1318 по ФЦП «Интеграция науки и высшего образования на 2002-2006 гг.»).

Индивидуальные гранты

  • Е.В.Гармаш (2003 г.) - Грант Президиума УрО РАН для молодых ученых и аспирантов.
  • О.В.Дымова (2004 г.) - Грант Президиума УрО РАН для молодых ученых и аспирантов по теме “Роль каротиноидов и антоцианов в устойчивости фотосинтетического аппарата растений к стрессовым факторам на Севере”.
  • О.В.Дымова (2004-2005) - грант Фонда содействия отечественной науке “Лучшие молодые ученые РАН”
  • О.В.Дымова (2006-2007 гг.) - Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-8482.2006.4 «Механизмы адаптации фотосинтетического аппарата растений холодного климата на уровне пигментного комплекса».
  • С.П. Маслова (2007 г.) - Грант Президиума УрО РАН для молодых ученых и аспирантов по теме «Структура и функциональная активность подземных побегов корневищных многолетних растений»

Хоздоговор

Разработка рекомендаций по оптимизации режима досвечивания при выращивании овощных культур (огурец, салат) в зимних теплицах ОАО «Пригородный» (2008-2009 гг.). Заказчик: ОАО «Пригородный»

Организация и проведение школ, конференций, съездов

  • 1987 г. – Всесоюзная конференция «Роль дыхания в продукционном процессе растений»
  • 1992 г. – Всероссийское совещание «Газообмен растений в посевах и природных фитоценозах»
  • 1999 г. – Всероссийское совещание «Репродуктивная биология редких и исчезающих видов растений»
  • 2000 г. – Всероссийское совещание «Морфофизиология специализированных побегов многолетних травянистых растений»
  • 2001 г. – Международная конференция «Ecological Physiology of Plants: Problems and Possible Solution in the XXI Century”
  • 2007 г. – VI Съезд общества физиологов России. Международная конференция «Современная экофизиология растений: от молекул до экосистем»

Важнейшие достижения

  • Результаты фундаментальные исследований пигментного комплекса культурных растений (Куренкова, 1998) и природной флоры (Дымова, Головко, 2001, 2007; Яцко и др., 2009, 2011; Головко и др., 2007, 2010; Golovko e.a., 2010) позволили  предложить и экспериментально обосновать концепцию о возрастании роли пигментного комплекса в устойчивости и продуктивности растений холодного климата. Установлено повышение  относительного содержания защитных пигментов – каротиноидов   в ряду бореальные – гипоарктические – аркто-альпийские виды. Выявлены закономерности функционирования фотозащитного зеаксантин-зависимого механизма у хвойных видов. Показано, что изменения пигментного комплекса – одна из важнейших приспособительных реакций при освоении растениями разных экотопов.  Полученные данные существенно расширяют представления об экофизиологии пигментов и адаптивности пигментного аппарата, могут быть использованы для оценки функционального состояния растений в северных экосистемах.
  • Установлены закономерности варьирования  фотосинтетическая способности (ФС)  растений бореальной зоны в зависимости от вида, жизненной формы,  географической принадлежности и эколого-ценотических условий (Головко, 2007; Далькэ, Головко, 2011). Подавляющая часть видов  природной флоры характеризуется сравнительно низкими значениями фотосинтеза листьев, 5-10 мг СО2/(г сухой массы ч). Скорость видимого поглощения СО2 у доминирующих в таежной зоне хвойных составляет 3-4 мг/(г ч),  растений травянисто-кустарничкового яруса – 4-6 мг СО2/(г ч). Растительность бореальной зоны в основном представлена видами, сочетающими признаки теневыносливости со светолюбием. Фенотипическая адаптация к световому режиму экотопа связана с изменением  анатомо-морфологических и физиолого-биохимических показателей листьев, но амплитуда изменчивости листовых показателей генетически ограничена. Суточный ход видимого фотосинтеза следует за  освещенностью и в ясный день описывается кривой куполообразной формы. Фактор влажности редко оказывает лимитирующее действие на фотосинтез, но в связи с ожидаемыми глобальными изменениями и усилением нестабильности климата можно прогнозировать проявления водного стресса.
  • Внесен существенный вклад в разработку фундаментальных вопросов физиологии, экологии и энергетики дыхания растений (Головко, 1999; Головко, Гармаш, 1997; Головко, Пыстина, 2001; Гармаш, Головко, 1997, 2009;  Малышев, 2009; Малышев и др., 2009). Предложена концепция о роли дыхания в донорно-акцепторной системе, получены принципиально важные количественные данные, свидетельствующие о тесной взаимосвязи дыхания с фотосинтезом, ростом и общим метаболизмом. Рассмотрена роль дыхания в продукционном процессе и реализации экологической стратегии видов. Показано, что у северных растений выработались механизмы, обеспечивающие лучшее снабжение энергией при пониженных и умеренных температурах, что проявляется в активации катаболизма (дыхания). Изучен вклад альтернативного пути дыхания в норме и при стрессе. Выявлено, что его активация при действии на растения избыточной освещенности и тяжелых металлов носит адаптивный характер. Проведены исследования по регуляторному взаимодействию пластома и хондриома  фотосинтезирующих клеток и органов растений. Установлен характер изменения соотношения дыхательных путей в листе в  зависимости от его возраста и фенологической стратегии растения. Исследован энергетический баланс молодых тканей и органов растений, выявлена зависимость скорости теплопродукции от дыхательной активности в верхушках побегов, проростках и развернувшихся почках. Установлены закономерности влияния температуры на соотношение дыхания и тепловыделения.  С помощью модели, связывающей дыхание, тепловыделение и рост, выявлены температурные пределы роста различных видов растений, отдельных органов и тканей. Полученные данные  дополняют представления о механизмах адаптации растений к среде, характеризуют эволюционно сформированное и генетически закрепленное соответствие метаболизма различных видов климату.
  • Выполнен цикл исследований по морфофизиологии подземного метамерного комплекса многолетних травянистых растений (Маркаров, Головко, 1995;  Маркаров, Головко, Табаленкова, 2003; Маслова, 2001; Маслова и др., 2005, 2010).  Установлено,  что подземные побеги (корневища, столоны, сарменты)  имеют собственные, автономные от надземных ортотропных побегов, механизмы регуляции роста и ростовых ориентаций, осуществляемые при участии фитохрома. Подземные побеги формируют банк меристем, реализуют морфогенетическую программу генома в конкретных условиях вегетационного периода, независимо от воздействий на ортотропные побеги. Изучены функциональные свойства длиннокорневищных растений с разным типом адаптивных стратегий, что создает основу  для разработки функциональной классификации видов и позволяет прогнозировать их поведение в условиях меняющейся среды.
  • Существенно дополнены и обобщены результаты исследований по физиологии продукционного процесса культурных растений (Головко, 1999; Головко и др., 2004; Табаленкова, Куренкова, 2001; Табаленкова, Головко, 2010).  На основе теоретического анализа и новых экспериментальных данных установлено, что  для формирования продуктивности основных  с-х культур (ячмень, овес, картофель, рожь, многолетние и однолетние кормовые травы) на Севере ведущее значение имеют следующие  физиолого_биохимические факторы: широкий диапазон и варьирование скорости СО2-газообмена при изменении температурных и световых условий, сравнительно низкий температурный оптимум фотосинтеза, пластичность пигментного комплекса и его способность поддерживать функциональную активность при пониженной освещенности, продолжительный рост листовой поверхности, распределение значительной части ассимилятов в вегетативные органы, повышенное накопление низкомолекулярных и соединений.  Эти результаты создают основу для усовершенствования технологий возделывания растений,  создания сортов с заданными свойствами, позволяют  оценить степень соответствия метаболизма тех или иных видов и сортов климату, прогнозировать их продуктивность и  устойчивость при изменении условий среды.
  • Северные районы существенно отличаются от других  зон по продолжительности фотопериода, интенсивности и спектральному составу поступающей солнечной радиации. В связи с этим первостепенное значение приобретает  разработка научных основ повышения продуктивности и эффективности производства овощных культур закрытого грунта (Далькэ и др., 2008; Далькэ, Григорай, 2009; Головко и др., 2010; Григорай, Далькэ, 2010; Табаленкова и др., 2010) . Условия защищенного грунта позволяют оптимизировать в соответствии с потребностями растений и контролировать основные факторы среды (температуру, влажность, концентрацию СО2, минеральное питание). Для решения этих задач на базе производственных теплиц ОАО «Пригородный» был проведено изучение продукционного процесса зеленных культур и огурца. Разработаны предложения  по оптимизации световых условий выращивания  режима огурца путем сочетания верхнего и бокового освещения. Это позволило повысить урожайность на 25-35% при рентабельности производства 35-38%. Получены количественные данные о содержании антиоксидантов, витаминов, минеральных элементов и других биологически ценных веществ, свидетельствующие о перспективности производства тепличных овощей для обогащения полезными веществами рациона жителей региона в зимний период.
  • Совместно с учеными Института биофизики СО РАН  реализован проект, направленный на усовершенствование фототрофного звена биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО) (Tikhomirov e.a., 2008; Ушакова и др., 2010; Головко и др., 2011). Разработаны критерии для оценки состояния и эффективности работы фотосинтетического аппарата. Выявлено действие и последействие высокотемпературного стресса на фотосинтез линии пшеницы, выведенной специально для БСЖО. Для оценки возможности включения в фототрофное звено новых, полезных для поддержания здоровья человека растений, исследованы физиолого-биохимические показатели 10 видов листовых овощей культур.  Предложены сорта, не проявляющие аллелопатического действия, хорошо адаптирующиеся к световому режиму выращивания, сохраняющие  полезные свойства при культивировании на почвоподобном субстрате из отходов растительного и животного происхождения (ППС).  Получены обнадеживающие результаты по оптимизации условий минерального питания путем введения в ППС ионообменных смол, позволяющих стабилизировать свойства и состав  корнеобитаемой среды. Достижения в данной области найдут применение в космосе и на земле при создании и эксплуатации БСЖО.
  • В условиях обострения глобальных и региональных экологических проблем перспективно использование эколого-физиологических подходов при проведении биомониторинга, для оценки антропогенной трансформации экосистем, разработки методов фиторемедиации.  Получены и обобщены монографически оригинальные данные о фитотоксичности фосфорорганических соединений и ртути (Скугорева и др., 2008). Выявлены закономерности биоаккумуляции и влияния ртути на процессы жизнедеятельности растений, произрастающих на загрязненных участках в  национальном парке «Югыд-ва» (Республика Коми). Содержание ртути в почве в концентрации 3-5 ПДК вызывало 2-3-кратное подавление ассимилирующей  способности листьев, приводило к нарушению соотношения фотосинтеза и дыхания, но не влияло на потенциальную фотохимическую активность ФС2  (Захожий и др., 2011). Рассмотрены механизмы действия тяжелых металлов (ртуть и кадмий) на процессы жизнедеятельности (Garmash e.a., 2011).  На основе экспериментальных данных показана перспективность использования длиннокорневищных злаков для фиторемедиации нефтезагрязненных территорий (Маслова, Табаленкова, 2010). Предложен способ борьбы с нежелательными зарослями борщевика сосновского – интродуцированного вида, характеризующегося высокой функциональной активностью и широкой экологической амплитудой (Чадин, Далькэ, 2010). Разработка удостоена диплома X Московского международного салона инноваций и инвестиций  ( 2010 г.), защищена патентом  на изобретение  №2399204.
  • Исследованы физиолого-биохимические закономерности накопления гликозидов (Захожий, 2006, 2009). Разработана методика определения салидрозида и розавина -  продуктов вторичного метаболизма  у родиолы розовой,  с  применением  твердофазной экстракции и внутреннего стандарта при  ВЭЖХ анализе. На материале из разных частей природного ареала и культивируемых растениях установлено, что процессы специализированного биосинтеза локализуются в подземных органах, при этом концентрации салидрозида и розавина в каудексе  существенно выше, чем  в корнях. Высокие концентрации суммы салидрозида и розавина (4.7% сухой массы) отмечены в период завершения активной вегетации  осенью и в начале  отрастания  весной, низкие  (3.3% сухой массы) – в период плодоношения.  Данные могут быть полезны при отборе растений для введения в культуру.
  • В условиях полевого и полупроизводственного опытов показана эффективность применения биопрепарата ризосферного типа - ризоагрина (Agrobacterium radiobacter) на сортах ячменя нового поколения (Куренкова, Табаленкова,2004; Головко и др., 2004) . Обработка семян ячменя ризоагрином позволяет сократить количество вносимых азотных удобрений и повысить зерновую продуктивность ячменя на 20-25%. Предложенная разработка относится к числу экологически чистых технологий, мало затратна, высокоэффективна, может использоваться на посевах  любой площади.

Темы квалификационных работ аспирантов и сотрудников Лаборатории (1990-2010 гг.)

Кандидатские

  • Лавриненко О.В. Дыхание и продукционный процесс райграса однолетнего в ценозах разной плотности. СПб., 1994. (Науч.рук. д.б.н.: Головко Т.К.).
  • Гармаш Е.В. СО2-газообмен и рост рапонтика сафлоровидного в условиях подзоны средней тайги Европейского Северо-Востока . СПб., 1996. (Науч.рук.: д.б.н. Головко Т.К.).
  • Дымова О.В. Экофизиология трех редких видов неморальных трав растений на северной границе ареала. СПб., 1999. (Науч.рук.: д.б.н. Головко Т.К.).
  • Маслова С.П. Структурно-функциональная организация подземных побегов клубнеобразующих растений. СПб., 2000. (Науч. рук.: д.б.н. Головко Т.К., д.б.н. Маркаров А.М.).
  • Пыстина Н.В. Эколого-физиологическое изучение цианидустойчивого дыхания и соотношение дыхательных путей в растениях. СПб., 2001. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Далькэ И.В. Эколого-физиологические и морфологические характеристики Rhodiola rosea L. из арктической и уральской частей ареала. СПб., 2002. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Табаленкова Г.Н. Физиолого-биохимические факторы продуктивности культурных растений на Севере (подзона средней тайги европейского северо-востока России). М., 2004 (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Огородникова С.Ю. Влияние фосфоррганических ксенобиотиков – метилфосфонатов на жизнедеятельность растений. Сыктывкар, 2004. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Скугорева С.Г. Биоаккумуляция и стрессорные эффекты ртути в растениях. Сыктывкар, 2007. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Бабак Т.В. Биология и экология видов рода Sedum L.s.I. таежной зоны европейского северо-востока России. Сыктывкар, 2005. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Тарбаева В.М.)
  • Бачаров Д.С. Экофизиология представителей сем Crassulaceae DC. в холодном климате. СПб., 2006. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Захожий И.Г. Физиолого-биохимические основы накопления продуктов вторичного метаболизма – салидрозида и розавина в растениях Rhodiola rosea L. СПб., 2006. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Малышев Р.В. Энергетический баланс молодых тканей и органов растений. СПб., 2009. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).
  • Яцко Я.Н. Пигментный аппарат вечнозеленых растений на Севере. СПб., 2010. (Науч.рук.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).

Докторские

  • Головко Т.К. Дыхание в донорно-акцепторной системе растений. М., 1993. (Науч.конс.: д.б.н., проф. Семихатова О.А.).
  • Табаленкова Г.Н. Продуктивность сельскохозяйственных культур в подзоне средней тайги Европейского Северо-Востока. М., 2007. (Науч. конс.: д.б.н., проф. Головко Т.К.).